Behovet for gassutveksling
De fleste celler må ha oksygengass for å omforme energien i næringsstoffene til ATP. Denne prosessen kalles aerob celleånding og foregår i mitokondriene. ATP er cellens egen valuta for energioverføringer og brukes i alle energikrevende prosesser i cellen.
Under celleåndingen dannes det karbondioksid som avfallsprodukt. Karbondioksid senker pH i celler og vevsvæske. Det å kunne skille ut karbondioksid til omgivelsene er derfor en viktig del av organismens homeostase.
Gassutveksling skjer ved diffusjon
For å forstå anatomien til gassutvekslingsorganer kan vi ta utgangspunkt i at all gassutveksling gjennom membraner skjer ved diffusjon.
Diffusjon krever en konsentrasjonsforskjell og skjer fra området med høyest konsentrasjon til området med lavest konsentrasjon av gassen. Jo større konsentrasjonsforskjell, jo raskere diffusjon. I cellen har mitokondriene den laveste oksygenkonsentrasjonen, fordi oksygengass forbrukes i celleåndingen. Samtidig har mitokondriene den høyeste konsentrasjonen av karbondioksid, fordi karbondioksid produseres i celleåndingen. Celleåndingen opprettholder dermed konsentrasjonsforskjeller som gjør at oksygen transporteres inn i cellen og karbondioksid ut av den.
For at konsentrasjonsforskjellen ved gassutvekslingsoverflater skal opprettholdes, kan det være nødvendig å skifte ut lufta/vannet ved overflaten. Det er dette vi oppnår ved å puste. Denne prosessen kalles ventilasjon.
En annen viktig egenskap ved diffusjon er at tida det tar å transportere en gitt mengde gass, øker dramatisk når avstanden øker. Som en tommelfingerregel kan vi si at diffusjonstida for oksygen hundredobles dersom avstanden tidobles. Dette gjør at overflatene må være tynne, slik at diffusjonsavstanden blir kortest mulig. Arealet av overflaten begrenser dessuten hvor mye gass som kan diffundere.
Mengden gass som diffunderer gjennom en overflate i løpet av et tidsrom
avtar raskt når avstanden øker
øker med konsentrasjonsforskjellen
øker med overflatearealet
Spesialiserte utvekslingsoverflater er derfor tynne overflater med et stort areal som ventileres.
Organismens størrelse og form har stor betydning for hvordan behovet for gassutveksling dekkes. Hos små dyr med relativt stor overflate kan direkte diffusjon gjennom overflaten være tilstrekkelig, siden avstanden mellom alle cellene og omgivelsene er kort.
De fleste cellene i flercellede organismer har for stor avstand til kroppsoverflaten til at direkte diffusjon alene kan løse behovet for gassutveksling. I disse tilfellene er utvekslingsoverflaten ofte forbundet med cellene gjennom et sirkulasjonssystem. I sirkulasjonssystemet transporteres gassene enten løst i væske eller bundet til transportproteiner. Hemoglobin er et eksempel på et slikt transportprotein.
Egenskapene til det ytre miljøet (vann eller luft) har mye å si for hvordan gassutvekslingsorganene er utformet. Dette kommer vi tilbake til i to egne fagartikler.
